CN101774089A - 同轴测温成像的激光聚焦*** - Google Patents

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王�锋
吕超
夏文建
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Abstract

本发明涉及一种同轴测温成像的激光聚焦***。该***由CCD成像***，温度探测光路***和激光聚焦***构成。其特征是，准直***和聚焦镜沿激光光路光轴构成激光聚焦***；调节镜、反射镜、合束镜和聚焦镜沿CCD成像光路光轴构成CCD成像***；聚焦镜、反射镜、合束镜和聚焦镜沿探温光路光轴构成温度探测***；三光路共用同一个聚焦镜，使CCD成像点、激光聚焦点、测温点重合，采用合束镜实现同轴测温成像。本发明的有益效果是将激光传播、CCD成像和温度探测实现同轴传播，三种功能用同一套装置实现。该装置体积小巧、精度高、稳定性强、同一性好等效果。本发明可广泛应用于工业加工、制造等领域，特别适用于电子焊接、胶水固化等领域。

Description

同轴测温成像的激光聚焦***
技术领域
本发明涉及一种新型激光聚焦***，特别是涉及一种同轴测温成像的激光聚焦***。
背景技术
目前，光纤耦合激光器被广泛应用于工业焊接、切割、固化等领域，但是光纤直径一般比较小，光纤端面功率密度非常高，在工业加工环境下，如果光纤直接作用在被加工面上，光纤表面很容易被污染，导致光纤被烧毁；因此在工业应用场合，都会采用激光聚焦头，通过成像，使激光聚焦于聚焦头后一定距离，同时也能够对光纤起保护作用。工业加工中，为了观察被加工工件，往往需要成像光信号输出，加装电荷耦合器件(CCD)，进行检测甚至定位控制；同时有些被加工工件对温度较敏感，为了达到最好的加工效果，需要检测加工位置的实时加工温度，甚至通过探测被加工工件的温度结合温度反馈***实时控制照射在工件表面的激光功率以达到控制加工实时温度的目的。一般情况下，聚焦头、CCD、温度测量***是分立的，不仅体积大，而且调节精度也要求非常高。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，适应工业加工中实时观测和温度控制的需要，使光纤耦合激光器能够更广泛更稳定的应用于工业加工、制造等领域，本发明提供一种能够使激光聚焦***实现同轴测温成像的功能、结构紧凑小巧、精度、稳定性、同一性得到根本性提高的同轴测温成像的激光聚焦***。
为了实现上述目的本发明采用的技术方案是：根据激光、CCD成像、温度探测三个光路所采用的光波波长的不同，采用合束镜，实现同轴测温成像；三光路共用同一个聚焦镜，使CCD成像点、激光聚焦点、测温点重合；激光光路采用成像***，成像***内部采用先准直为平行光，再用聚焦镜聚焦的设计方式，使激光聚焦点光斑大小与激光出纤光斑大小的比例可控。此结构能够实现激光光路、CCD成像***、测温光路等三个光路同轴。具体技术实施方案如下：
激光聚焦***分为准直***和聚焦***，其中准直***18由单个或多个镜片组构成，其作用是将从光纤4出来的发散激光准直为近似平行光；聚焦***是聚焦镜10，此聚焦镜可以由单个或多个镜片组构成，其作用是将准直后的近似平行光聚焦到加工点14；
CCD成像***由聚焦镜10、合束镜8、反射镜13和调节镜12组成，其作用是将加工点14的图像成像于CCD11接收平面；沿光轴17前后调节调节镜12，可以在CCD11接收平面形成清晰的加工点14的像；合束镜8位于激光光路光轴16和CCD成像光路光轴17上，将激光和可见光合为一束，实现激光和可见光的同轴传输；CCD可以以灰度显示在显示设备上，也可以以彩色显示显示在显示设备上；
测温光路由聚焦镜2、合束镜9、反射镜3和聚焦镜10组成，其作用将加工点14的温度光信号采集到温度探测器1上；沿光轴15前后调节聚焦镜2可以将温度光信号采集到温度探测器上；合束镜9位于激光光路光轴16、CCD成像光路光轴17和温度探测光路光轴15上，将激光、可见光和温度光信号合为一束，实现激光、可见光和温度光信号的同轴传输；温度光信号波长为中红外波段，范围包括但不限于2-15微米；温度探测器1测量温度可以使用基于温度光信号的辐射波长和温度的对应关系测量，也可基于温度光信号的辐射强度和温度的对应关系测量；
所有光学透镜2、10、12、18都可以是单透镜，也可以是组合透镜或多个透镜***组成的等效透镜；
聚焦透镜10、合束镜9的材料必须是同时可以透过可见光、近红外和中红外的材料，比如ZnSe(硒化锌)等；
同轴测温成像的激光聚焦***，可以保留激光聚焦、测温、CCD成像全部功能，也可以只保留其中的两个功能，例如激光聚焦和同轴测温、激光聚焦和同轴CCD成像以及测温和同轴CCD成像。
本发明所述的***，其特征是在一定工作距离上，激光班点的大小可以通过调节组成激光准***18的全部或部分透镜和光纤4端面的相对距离来实现。
本发明的有益效果是将激光传输、CCD成像和温度探测实现同轴传输，三个功能用同一套装置实现，整体体积小巧，适用于工业焊接、切割、固化等各种场合。
附图说明
图1所示为同轴测温成像的激光聚焦***原理图，图中，1.温度探测器，2.聚焦镜，3.反射镜，4.光纤，5、6、7.球面镜，8.合束镜，9.合束镜，10.聚焦镜，11.电荷耦合器件(CCD)，12.调节镜，13.反射镜，14.加工点，15.探温光路光轴，16.激光光路光轴，17.CCD成像光路光轴，18.准直***。
具体实施方式
本发明结合附图1，对其技术方案详细叙述如下：聚焦镜2、反射镜3、合束镜9和聚焦镜10沿探温光路光轴15构成温度探测***；加工点14的温度光信号通过聚焦镜10准直、合束镜9和反射镜3反射、聚焦镜2聚焦到温度探测器1上；准直***18和聚焦镜10沿激光光路光轴16构成1:1激光成像聚焦***；准直***18由5、6、7三个球面镜片组组成，采用望远结构设计，可以将发散的的激光准直为近似平行光；激光从光纤4输出，通过经过准直***18准直、聚焦镜10聚焦到加工点14；调节镜12、反射镜13、合束镜8和聚焦镜10沿CCD成像光路光轴17构成CCD成像***；加工点14的图像信号经过聚焦镜10聚焦、合束镜8和反射镜13反射、调节镜12聚焦成像于CCD接收平面；调节调节镜12可以使加工点14在CCD表面形成清晰的像。
准直***18采用望远结构设计，通过消象差设计，可以将发散的的激光准直为近似平行光，具体结构如下：球面镜5直径为28mm，中心厚度6mm，前后表面曲率分别为-41.188mm和-21.88mm；球面镜6直径为28mm，中心厚度6mm，前后表面曲率分别为378.4mm和31.33mm；球面镜7直径为38mm，中心厚度6mm，前后表面曲率分别为121.43mm和-61.09mm；光纤4端面到球面镜5前表面的距离为43.193mm；球面镜5前表面到球面镜6前表面的距离为8.639mm；球面镜6前表面到球面镜7前表面的距离为33.024mm。
聚焦镜10为球面镜，直径为38mm，中心厚度4.5mm，前表面曲率为128.18mm，后表面为平面。
准直***18与聚焦镜10共同作用，可以实现1:1成像，比如当光纤4直径为400um时，激光在加工点14的聚焦点大小为400um。
本发明是利用合束镜8、9将激光、可见光、测温光信号合成一束同轴传播，从而实现一个聚焦头实现激光聚焦、CCD观测、温度探测三个功能。

Claims (7)

1.一种同轴测温成像的激光聚焦***，由CCD成像光路***、温度探测光路***和激光聚焦***构成，其特征在于：准直***(18)可以由一个或多个镜片组组成；准直***(18)和聚焦镜(10)沿激光光路光轴(16)构成激光聚焦***；调节镜(12)、反射镜(13)、合束镜(8)和聚焦镜(10)沿CCD成像光路光轴(17)构成CCD成像***，可以将加工点(14)的图像成像于CCD(11)接收平面，合束镜(8)将激光与可见光合为一束同轴传播；聚焦镜(2)、反射镜(3)、合束镜(9)和聚焦镜(10)沿探温光路光轴(15)构成温度探测***，可以将温度的光信号采集到温度探测器(1)上，合束镜(9)将激光、可见光和温度光信号合为一束同轴传播。
2.根据权利要求1所述的同轴测温成像的激光聚焦***，其特征是，合束镜(8)位于激光光路光轴(16)和CCD成像光路光轴(17)上，将激光和可见光合为一束同轴传输。
3.根据权利要求1所述的同轴测温成像的激光聚焦***，其特征是，合束镜(9)位于激光光路光轴(16)、CCD成像光路光轴(17)和温度探测光路光轴(15)上，将激光、可见光和温度光信号合为一束实现同轴传输。
4.根据权利要求1所述的同轴测温成像的激光聚焦***，其特征是，所有光学透镜(2)、(10)、(12)、(18)都可以是单透镜，也可以是组合透镜或多个透镜***组成的等效透镜。
5.根据权利要求1所述的同轴测温成像的激光聚焦***，其特征是，聚焦透镜(10)、合束镜(9)的材料必须是同时可以透过可见光、近红外和中红外的材料。
6.根据权利要求1所述的同轴测温成像的激光聚焦***，其特征是，温度信号、激光、CCD成像信号最终在聚焦镜(10)前合束成为共轴***。
7.根据权利要求1所述的同轴测温成像的激光聚焦***，其特征是，温度光信号为中红外波段。
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